第四章 机械可靠性设计2.pptVIP

* 三、机械强度可靠性设计 【例3】 【例4】 * * 第四节可靠性设计原理 * 4.4.1 概率设计的基本概念传统设计 在常规的机械产品设计中，使用安全系数－强度均值与应力均值之比－来考虑这种不确定性的影响。 这是一个经验的安全系数。尽管综合了计算误差、材料分散性、应用场合的重要性等因素，取值仍有相当大的主观性。为了保证安全，安全系数往往取值较大，设计多偏于保守。 强度与应力的均值不变，而强度与应力分散程度即标准差改变，其安全系数不变时失效的可能也会加大或减小。 * 结论 Ａ.以相同的安全系数所设计出的零部件其安全程度不一定是相同的； Ｂ.把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的； Ｃ.大的安全系数不一定有大的安全效果，小的安全系数就不一定不安全。 * 可靠性设计的特点 1)可靠性设计认为作用在零部件上的载荷（广义的）和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述； 2)由于载荷和材料性能等都是随机变量，所以必须用概率论与数理统计的方法求解； 3)可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计的不足。 可靠性设计与传统设计的差别 设计变量的属性及其运算方法不同－可靠性设计中涉及的变量大多是随机变量，涉及大量的概率统计运算。 安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与相关参量的均值有关，也与其分散性有关。 安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意义上，系统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的可靠度是由所有零件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度（安全系数）是由强度最小的零件（串联系统）或强度最大的零件（并联系统）决定的。 提高安全程度的措施不同－可靠性设计可以通过减少材料/结构性能的分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力面积来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设计多采用冗余结构保证系统安全。 * 1.失效 从机械零件的角度： 零件发生塑性变形到一定程度断裂和表面的疲劳点蚀到一定程度等等。 扩展的含义：机械零件（系统）在运行过程中达不到人们对它的要求，或起不到人们要求它所起的作用时，则认为这个零件（系统）失效了。 几个概念扩展 * 2.应力 从机械零件的角度：“应力”的概念一般是指零件单位面积承受的外作用力的大小。 扩展的含义：凡是引起零件（系统）失效的一切因素，均称之为“应力”。 引起失效的因素除包括传统意义上的应力外，还包括各种环境因素如温度、湿度等对零件的影响。 * 3.强度 从机械零件的角度：“强度”的是指材料单位面积所能承受的作用力。如：屈服强度、强度极限等。 扩展的含义：凡是阻止零件（系统）失效的一切因素，均可称之为强度因素。 阻止零件/系统失效的因素还包括加工精度、表面粗糙度等因素。 * 可靠度、强度、应力 零件（系统）的可靠度是零件（系统）在给定的运行条件下，对抗失效的能力，也就是说，是“应力”与“强度”相互作用的结果，或者说，是“应力”与“强度”相互“干涉”的结果。 如果“应力”作用果大于“强度”，则零件（系统）失效；反之，“应力”作用效果小于“强度”，则零件（系统）就是可靠的。 可靠度就是“强度” 大于“应力”作用效果的概率 * 令应力和强度的概率密度函数分别为f(r)和f(s)，由于机械设计中应力和强度具有相同的量纲，因此可以把f(r)和f(s)表示在同一坐标系中，得到应力—强度分布的平面干涉模型，具有如下图所示的几种强度-应力关系。 4.4.2 应力-强度干涉模型 　　如图 (a)所示，应力s 与强度r 的概率分布曲线 f(s) 和 f(r)不发生干涉，且最大可能的工作应力 都要小于最小可能的极限应力（即强度的下限值）。 具有这样的应力-强度关系的机械零件是安全的，不会发生故障。 f(s) f (r) f(r) f(s) 0 μs μr r, s 图a 此时的可靠度，即强度大于应力 (r s)的概率为： 　　如图 (b)所示，应力s 与强度r的概率分布曲线 fs) 和 f(r)发生干涉。　 　　此时，虽然工作应力的平均值 μs 仍远小于极限应力(强度)的平均值 μr ，但不能绝对保证工作应力在任何情况下都不大于极限应力，即工作应力大于零件强度的概率大于零： P(s r) 0 μs 图b 干涉区 μr r, s f (r) f(s) 0 f(r) f(s) 　　如图 (c)所示， f(s) 和 f(r) 分布曲线不发生干涉，且最小工作应力都超过零件的最大强度，在该情况下零件将会发生故障或失效